(57)【要約】  ここに、遠視野において２つ以上の光ビームにより同時に照射される物体の三次元ＬＩＤＡＲ測定を実施するシステム及び方法を提供する。三次元ＬＩＤＡＲに基づく測定装置は、異なる位置から三次元環境内に少なくとも２つの光ビームを同時に出射する。ＬＩＤＡＲ装置から少なくとも５ｍ離れた距離において２つ以上の光ビームにより三次元環境の部分が同時に照射される。しかしながら、２つ以上の光ビームは、ＬＩＤＡＲ装置から５ｍ未満の距離においては重ならない。光ビームは少しずつ広がり、ＬＩＤＡＲ装置において最も高いビーム強度を有し、ＬＩＤＡＲ装置から離れるにしたがってより低いビーム強度を有する。ＬＩＤＡＲ装置の近くではなく遠視野において照射光を重なり合わせることにより、ＬＩＤＡＲ装置の視野全体を通してビーム強度を適度なレベルに維持することができる。【選択図】  図３
2019509474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置であって、前記ＬＩＤＡＲ装置が、
２つ以上の光ビームのそれぞれにより三次元環境の部分が照射されるように、前記ＬＩＤＡＲ装置から前記三次元環境内に複数の異なる方向に前記２つ以上の光ビームを出射するように構成された１つ以上の照射源であって、前記２つ以上の光ビームの第１の光ビームが第１の位置において前記ＬＩＤＡＲ装置から出射され、そして、前記２つ以上の光ビームの第２の光ビームが前記第１の位置とは空間的に異なる第２の位置において前記ＬＩＤＡＲ装置から出射される、前記１つ以上の照射源と、
２つ以上の前記光ビームにより同時に照射された前記三次元環境内の位置から反射された光の量を検出するように構成された１つ以上の感光検出器と、
１つ以上の前記照射源から出射され、前記１つ以上の感光検出器により検出された前記２つ以上の光ビームの飛行時間を測定するように構成された計算システムと、
を有することを特徴とするＬＩＤＡＲ装置。
【請求項２】
前記２つ以上の光ビームのそれぞれにより照射される前記三次元環境の前記部分は、前記ＬＩＤＡＲ装置から少なくとも５ｍの距離に位置しており、そして、前記２つ以上の光ビームのいずれも前記ＬＩＤＡＲ装置から５ｍ未満の距離において他の前記２つ以上の光ビームのいずれとも重ならないことを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項３】
前記第１の位置及び前記第２の位置は光学素子の表面上に位置していることを特徴とする請求項２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項４】
前記第１の位置が第１の光学素子の表面上に位置しており、前記第２の位置が第２の光学素子の表面上に位置していることを特徴とする請求項２に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項５】
前記１つ以上の照射源が、
第１の量の光を出射するように構成された発光装置と、
前記第１の量の光を第１の光ビームにコリメートするように構成された１つ以上の光学素子と、
前記第１の光ビームを第２の光ビーム及び第３の光ビームに分離するように構成されたビーム分割素子と、
を有し、
前記第２の光ビームが第１の位置においてＬＩＤＡＲ装置から出射され、前記第３の光ビームが前記第１の位置とは空間的に異なる第２の位置において前記ＬＩＤＡＲ装置から出射され、そして、前記第２の光ビーム及び前記第３の光ビームにより照射された前記三次元環境の複数の部分が、前記ＬＩＤＡＲ装置から少なくとも５ｍの距離において実質的に重なり合い、そして、前記第２の光ビームにより照射された前記三次元環境の部分及び前記第３の光ビームにより照射された前記三次元環境の部分が、前記ＬＩＤＡＲ装置から５ｍ未満の距離においては重ならないことを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項６】
前記１つ以上の照射源の第１の照射源が、第１の位置において前記ＬＩＤＡＲ装置から前記２つ以上の光ビームの第１の光ビームを出射し、前記１つ以上の照射源の第２の照射源が、第２の位置において前記ＬＩＤＡＲ装置から前記２つ以上の光ビームの第２の光ビームを出射し、前記第１の位置及び前記第２の位置が空間的に異なることを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項７】
前記１つ以上の照射源のそれぞれがレーザーベースであることを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項８】
前記１つ以上の照射源のそれぞれが発光ダイオードを含むことを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項９】
前記１つ以上の照射源のそれぞれが照射光パルスを出射することを特徴とする請求項１に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１０】
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置であって、前記ＬＩＤＡＲ装置が、
第１の量の光を出射するように構成された１つ以上の発光装置と、
前記第１の量の光を第１の光ビームにコリメートするように構成された１つ以上の光学素子と、
前記第１の光ビームを第２の光ビーム及び第３の光ビームに分離するように構成されたビーム分割素子と、
を有し、
前記第２の光ビームが第１の位置においてＬＩＤＡＲ装置から出射され、前記第３の光ビームが前記第１の位置とは空間的に異なる第２の位置において前記ＬＩＤＡＲ装置から出射され、そして、前記第２の光ビーム及び前記第３の光ビームにより照射された三次元環境の複数の部分が、前記ＬＩＤＡＲ装置から少なくとも５ｍの距離において実質的に重なり合い、そして、前記第２の光ビームにより照射された前記三次元環境の部分及び前記第３の光ビームにより照射された前記三次元環境の部分が、前記ＬＩＤＡＲ装置から５ｍ未満の距離においては重ならないことを特徴とするＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１１】
前記ＬＩＤＡＲ装置がさらに、
前記第２の光ビーム及び前記第３の光ビームにより同時に照射された前記三次元環境内の位置から反射された光の量を検出するように構成された１つ以上の感光検出器と、
前記１つ以上の発光装置から出射され、前記１つ以上の感光検出器により検出された前記第２の光ビーム及び前記第３の光ビームの飛行時間を測定する計算システムと、
を有することを特徴とする請求項１０に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１２】
前記第１の位置が第１の光学素子の表面上に位置しており、前記第２の位置が第２の光学素子の表面上に位置していることを特徴とする請求項１０に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１３】
前記第１の位置が第１の光学素子の表面上に位置しており、前記第２の位置が第２の光学素子の表面上に位置していることを特徴とする請求項１０に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１４】
前記１つ以上の発光装置がレーザーベースであることを特徴とする請求項１０に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１５】
前記１つ以上の発光装置が発光ダイオードであることを特徴とする請求項１０に記載のＬＩＤＡＲ装置。
【請求項１６】
２つ以上の光ビームのそれぞれにより照射された三次元環境の複数の部分がＬＩＤＡＲ装置から少なくとも５ｍの距離において実質的に重なり合い、そして、前記２つ以上の光ビームのいずれも前記ＬＩＤＡＲ装置から５ｍ未満の距離において他の前記２つ以上の光ビームのいずれとも重ならないように、前記ＬＩＤＡＲ装置から前記三次元環境内に複数の異なる方向に前記２つ以上の光ビームを出射し、
前記２つ以上の光ビームにより同時に照射された前記三次元環境内の位置から反射された光の量を検出し、そして、
前記ＬＩＤＡＲ装置から出射され、前記ＬＩＤＡＲ装置の１つ以上の感光検出器により検出された前記２つ以上の光ビームの飛行時間を測定することを特徴とする方法。
【請求項１７】
前記２つ以上の光ビームの第１の光ビームが第１の位置においてＬＩＤＡＲ装置から出射され、前記２つ以上の光ビームの第２の光ビームが前記第１の位置とは空間的に異なる第２の位置において前記ＬＩＤＡＲ装置から出射されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１の位置が第１の光学素子の表面上に位置しており、前記第２の位置が第２の光学素子の表面上に位置していることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の位置が第１の光学素子の表面上に位置しており、前記第２の位置が第２の光学素子の表面上に位置していることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記方法がさらに、
１つ以上の発光装置から第１の量の光を出射し、
前記第１の量の光を第１の光ビームにコリメートし、
前記第１の光ビームを第２の光ビーム及び第３の光ビームに分割する、
ことを含み、
前記第２の光ビームが第１の位置においてＬＩＤＡＲ装置から出射され、前記第３の光ビームが前記第１の位置とは空間的に異なる第２の位置において前記ＬＩＤＡＲ装置から出射され、そして、前記第２の光ビーム及び前記第３の光ビームにより照射された前記三次元環境の複数の部分が、前記ＬＩＤＡＲ装置から少なくとも５ｍの距離において実質的に重なり合い、そして、前記第２の光ビームにより照射された前記三次元環境の部分及び前記第３の光ビームにより照射された前記三次元環境の部分が、前記ＬＩＤＡＲ装置から５ｍ未満の距離においては重ならないことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２０１７年１月３１日に出願された、「遠視野において重なり合う照射を有するＬＩＤＡＲに基づく三次元撮像」という名称の米国特許出願１５/４２０，３６６の優先権を主張するものであり、同様に、２０１６年１月３１日に出願された、「遠視野において重なり合う照射を有するＬＩＤＡＲに基づく三次元撮像」という名称の米国仮出願６２/２８９，２７８の優先権を主張するものであり、これらの出願は参照されることにより、本出願に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、ＬＩＤＡＲに基づく三次元ポイントクラウド測定システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
ＬＩＤＡＲシステムは光パルスを使用し、各光パルスの飛行時間（ＴＯＦ）に基づいて物体への距離を測定するものである。ＬＩＤＡＲシステムの光源から出射された光パルスは遠位の物体と相互に作用する。光の一部が物体から反射され、ＬＩＤＡＲシステムの検出器に戻る。光パルスの出射から戻り光パルスの検出までに経過した時間に基づいて、距離が推定される。いくつかの例においては、光パルスはレーザー発光器により発生される。光パルスはレンズ又はレンズアセンブリを通して集束される。レーザー光パルスがレーザー発光器の近くに設置された検出器に戻るまでの時間が測定される。高精度の時間測定から距離が得られる。
【０００４】
いくつかのＬＩＤＡＲシステムは、単一のレーザー発光器／検出器並びに回転ミラーの組み合わせを使用して、平面を横切って効果的に走査する。そのようなＬＩＤＡＲシステムにより実施された距離測定は実際上二次元（即ち、平面状）であり、捕捉された距離点は二次元（即ち、単一面）のポイントクラウドとして描画される。いくつかの例において、回転ミラーは非常に速い速度（例えば、数千ｒｐｍ）で回転する。
【０００５】
多くの動作シナリオにおいて、三次元のポイントクラウドを求められることが多い。三次元で周囲環境に問合せするいくつかの方式が採用されている。いくつかの例においては、二次元装置が、多くの場合ジンバル上で、上下及び／又は前後に作動される。このことは、センサのノッディング又はウィンキングとして当業者には知られている。したがって、単一ビームＬＩＤＡＲユニットを使用して、一度に一点であるにもかかわらず、三次元の距離点列全体を捕捉することができる。関連する例においては、レーザーパルスを多層に分割するためにプリズムが使用され、各層はわずかに異なる鉛直角を有する。これは、センサ自体が作動することはないが、上述のノッディング効果をシミュレートする。
【０００６】
全ての上記の例において、単一レーザー発光器／検出器の組み合わせの光路が、単一のセンサより広い視野を達成するためにどうにかして変更されている。単一レーザーのパルス繰返し数が限定されていることにより、そのような装置が単位時間毎に発生することができるピクセル数は本質的に限定されている。ミラー、プリズム、又は装置の作動のいずれによるものであっても、より広いカバー領域を達成するビーム経路の変更は、ポイントクラウド密度の減少を伴うものである。
【０００７】
上述のように、いくつかの構成において三次元ポイントクラウドシステムが存在する。しかしながら、多くの用途において、広い視野にわたって画像情報を作成する必要がある。例えば、自立走行車両用途において、縦視野は車両の前方の地面が見えるまで下に伸びているべきである。また、道路内のくぼみに車両が進入した場合、縦視野は水平線より上に伸びているべきである。また、現実世界で起きている行動とこれらの行動の画像化の間の遅れは最小限である必要がある。いくつかの例においては、毎秒少なくとも５回の完全な画像の更新を提供することが望ましい。これらの要求に応えるために、多重レーザー発光器アレイ及び検出器アレイを備える三次元ＬＩＤＡＲシステムが開発された。このシステムは２０１１年６月２８日付で発行された米国特許７９６９５５８号に記載されており、この特許は参照されることにより、本出願に援用する。
【０００８】
多くの用途において、一連のパルスが出射される。各パルスの方向は、連発で順次変更される。これらの例において、個々のパルスのそれぞれに関連する距離測定はピクセルとみなすことができ、連発して出射されて捕捉されたピクセルの集合（即ち、ポイントクラウド）は、画像とみなすことができ、又は、他の理由（例えば、障害物の検出）により分析される。いくつかの例において、結果的に得られたポイントクラウドを使用者に三次元の画像として描画するために閲覧ソフトウェアが使用されている。実写カメラで撮影されたような三次元画像として距離測定を描くために異なる方式を使用することができる。
【０００９】
いくつかの例において、連続発光パルスのタイミングは、特定の出射パルスに関連する戻り信号が後続の出射パルスが発射される前に検出されるように設定されている。このことは、検出された戻り信号が、検出された戻り信号を発生させた特定の出射パルスに適切に関連付けられることを確実にする。
【００１０】
いくつかの他の例においては、多重パルスの戻り信号がいずれも検出される前に、周囲環境内に多重パルスが出射される。伝統的に、この方法は、検出信号間でクロストークが生じる可能性を増加させる。即ち、多重パルスの戻り信号がいずれも検出される前に周囲環境内に多重パルスが出射されると、検出された戻り信号は、検出された戻り信号を発生させた特定の出射パルスとは異なる出射パルスに間違って関連付けられる可能性がある。このことは、距離測定にエラーを引き起こす可能性がある。
【００１１】
伝統的に、多重パルス間のクロストークを避けるために、多重パルスのそれぞれが異なる方向に出射される。多重パルスのそれぞれを異なる方向に出射することにより、多重パルスのそれぞれにより問合せされるそれぞれの空間体積は、多重パルスの他のパルスにより問合せされるどの空間体積からも完全に分離される。同時に問合せされた空間の分離が増加すると、クロストークにより測定エラーを引き起こす可能性が減少する。
【００１２】
既存のＬＩＤＡＲシステムは、所定の時間で周囲環境の特定体積を問合せする単一光ビームを使用している。戻り信号の検出は、かなりの測定ノイズ源を含むものである。レーザーパルス強度を増加することなくＬＩＤＡＲシステムの測定範囲が拡張されるにつれて、これらの問題は悪化する。
【００１３】
これらのシステムは、各光ビームによる測定にさらされる環境の体積上に投射することができる光の強度が限定されている。いくつかの例において、人の目の安全性プロトコルがＬＩＤＡＲ装置から出射される光の強度を限定している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ＬＩＤＡＲシステムの測定範囲を拡張するために、信号強度及びノイズ除去の改善が望ましい。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
ここに、遠視野において２つ以上の光ビームにより同時に照射される物体の三次元ＬＩＤＡＲ測定を実施するシステム及び方法を提供する。三次元ＬＩＤＡＲに基づく測定装置は、三次元環境内に少なくとも２つの光ビームを同時に出射する。各光ビームは、異なる位置において三次元ＬＩＤＡＲ装置から出射される。出射ビームの少なくとも２つは、三次元ＬＩＤＡＲ装置から少なくとも５ｍ離れた距離において２つ以上の光ビームにより三次元環境の部分が照射されるように、三次元ＬＩＤＡＲ装置から投射される。また、２つ以上の光ビームは、ＬＩＤＡＲ装置から５ｍ未満の距離においては重ならない。
【００１６】
三次元ＬＩＤＡＲ装置から出射される光ビームは少しずつ広がる。したがって、ビーム強度は、ＬＩＤＡＲ装置の窓において最も高く、ＬＩＤＡＲ装置から離れるにしたがって徐々に減少する。人の目を損傷する危険性は、ＬＩＤＡＲ装置の近距離において最も高く、ＬＩＤＡＲ装置からの距離が増加するにつれて減少する。
【００１７】
異なる位置において三次元ＬＩＤＡＲ装置から多重光ビームを出射することにより、ビームが重なり合っていないので、近距離において目を損傷する危険性を最小化することができる。したがって、近距離においては、単一ビームのみが人の目と偶発的に作用する可能性がある。距離が増加するにしたがって、複数のビームは重なり始め、理想的には、２つ以上のビームが互いに完全に重なり合う臨界距離に達するまで重なる。いくつかの例において、臨界距離は三次元ＬＩＤＡＲ装置から１００〜２００ｍ離れた範囲内の距離である。これらの距離において、ビームの広がりにより、目を損傷する危険性無く、１つ以上のビームが人の目と偶発的に作用する可能性がある。
【００１８】
更なる側面において、ＬＩＤＡＲ装置は、ＬＩＤＡＲ装置から三次元環境内の位置に投射され、前記位置からＬＩＤＡＲ装置に戻るまでの照射光の多重ビームの飛行時間を測定する。ＬＩＤＡＲ装置と照射光ビームにより照射された三次元環境内の特定位置との間の距離は、飛行時間に基づいて測定される。
【００１９】
上記は概要であり、したがって、必要に応じて簡略化、一般化、及び詳細の省略を含み、結果として、概要は単に説明的なものであり、限定的なものではないことは当業者には理解できるであろう。ここに記載の装置及び／又は方法の他の側面、発明の特徴、及び利点は、以下に記載の非限定的な詳細な説明により明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】少なくとも１つの新しい側面における三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の１つの実施形態を示す簡略図である。
【図２】１つの例示的実施形態における三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の分解図である。
【図３】少なくとも１つの新しい側面における三次元ＬＩＤＡＲシステム１０の他の実施形態を示す簡略図である。
【図４】三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の発光・集光エンジン１１２を示す図である。
【図５】三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の集光光学系１１６の詳細図である。
【図６】集光された光１１８の各ビームの形状を示す三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の集光光学系１１６の断面図である。
【図７】パルス照射システム１３０、光検出システム１５０、及び制御装置１４０を含む三次元ＬＩＤＡＲシステムの構成要素を示す図である。
【図８】１６個の異なる多重ビーム照射システムのそれぞれからの発光のタイミングを例示する図１８０である。
【図９】パルス測定ビームの出射及び戻り測定パルスの捕捉のタイミングを示す図である。
【図１０】少なくとも１つの新しい側面におけるＬＩＤＡＲ測定を実施する方法２００を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明のいくつかの実施形態と添付の図面に図示されている背景的実施例の詳細について説明する。
【００２２】
図１は、１つの例示的動作シナリオにおける三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の実施形態を示す図である。三次元ＬＩＤＡＲシステム１００は、下部ハウジング１０１及び赤外光（例えば、７００〜１７００ｎｍのスペクトル領域内の波長を有する光）を透過させる材料から成るドーム状シェル要素１０３を含む上部ハウジング１０２を有する。１つの実施例において、ドーム状シェル要素１０３は、９０５ｎｍを中心とする波長を有する光を透過させる。
【００２３】
図１に図示されているように、三次元ＬＩＤＡＲシステム１００から複数の光ビーム１０５が、ドーム状シェル要素１０３を通って、中心軸１０４から測定して角度範囲αにわたって、出射される。図１に図示されている実施形態において、各光ビームは、Ｘ軸及びＹ軸により規定された平面上に互いに間隔を置いて複数の異なる位置に投射される。例えば、ビーム１０６はＸＹ平面上の位置１０７に投射される。
【００２４】
図１に図示されている実施形態において、三次元ＬＩＤＡＲシステム１００は、中心軸１０４の周りの複数の光ビーム１０５のそれぞれを走査するように構成される。ＸＹ平面状に投射された各光ビームは、中心軸１０４とＸＹ平面の交点を中心とする円形パターンを描く。例えば、ＸＹ平面上に投射されたビーム１０６は、時間とともに、中心軸１０４を中心とする円形軌跡１０８を描く。
【００２５】
図２は、１つの例示的実施形態における三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の分解図である。三次元ＬＩＤＡＲシステム１００はさらに、中心軸１０４の周りを回転する発光・集光エンジン１１２を有する。図示されている実施形態において、発光・集光エンジン１１２の中心光軸１１７は、中心軸１０４に対して角度θで傾斜している。図２に図示されているように、三次元ＬＩＤＡＲシステム１００は、下部ハウジング１０１に対して固定位置に取り付けられた固定電子基板１１０を有する。固定電子基板１１０の上方に回転電子基板１１１が配置され、回転電子基板１１１は、固定電子基板１１０に対して所定の回転速度（例えば、２００ｒｐｍより速い速度）で回転するように構成されている。電力信号及び電子信号が、固定電子基板１１０と回転電子基板１１１の間で、１つ以上のトランス素子、容量素子又は光学素子を通して通信され、これらの信号の非接触送信をもたらす。発光・集光エンジン１１２は回転電子基板１１１に対して固定的に配置され、したがって、中心軸１０４の周りを所定の角速度ωで回転する。
【００２６】
図２に図示されているように、発光・集光エンジン１１２は、発光素子アレイ１１４及び光検出素子アレイ１１３を有する。各発光素子から出射された光は、（図示しない）ミラーに向かっていく。ミラーから反射した光は、一連の照明光学系１１５を通過し、一連の照明光学系１１５が、出射光を図１に図示されている三次元ＬＩＤＡＲシステム１００から出射される光ビームアレイ１０５にコリメートする。一般的に、三次元ＬＩＤＡＲシステム１００から任意の数の光ビームを同時に出射するために任意の数の発光素子を配置することができる。環境内の物体から反射された光は、集光光学系１１６により集光される。集光された光は集光光学系１１６を通過し、光検出素子アレイ１１３の各光検出素子上に集束される。集光光学系１１６を通過後、集光された光は（図示しない）ミラーから各光検出素子上に反射される。
【００２７】
１つの側面において、三次元ＬＩＤＡＲ装置は、少なくとも２つの光ビームを三次元環境内に出射する。各光ビームは異なる位置において三次元ＬＩＤＡＲ装置から出射される。出射ビームの少なくとも２つが、複数の光ビームの第１の光ビームにより照射された三次元環境の部分が複数の光ビームの第２の光ビームにより照射された三次元環境の部分とＬＩＤＡＲ装置から少なくとも５ｍ離れた距離において実質的に重なり合うように、三次元ＬＩＤＡＲ装置から投射される。また、複数の光ビームの第１の光ビームにより照射された三次元環境の部分が複数の光ビームの第２の光ビームにより照射された三次元環境の部分とＬＩＤＡＲ装置から５ｍ未満の距離においては実質的に重ならない。
【００２８】
三次元ＬＩＤＡＲ装置から出射される光ビームは少しずつ広がる。１つの実施例において、ビームの直径はＬＩＤＡＲ装置の窓において約１５ｍｍであり、ＬＩＤＡＲ装置から１００ｍの距離において約２０ｃｍである。したがって、ビーム強度は、ＬＩＤＡＲ装置の窓において最も高く、ＬＩＤＡＲ装置から離れるにしたがって徐々に減少する。即ち、人の目を損傷する危険性は、ＬＩＤＡＲ装置の近距離において最も高く、ＬＩＤＡＲ装置からの距離が増加するにつれて減少する。
【００２９】
異なる位置において三次元ＬＩＤＡＲ装置から多重光ビームを出射することにより、近距離において、ビームが重なり合っていないので、目を損傷する危険性を最小化することができる。したがって、近距離においては、単一ビームのみが人の目と偶発的に作用する可能性がある。距離が増加するにしたがって、複数のビームは重なり始め、理想的には、２つ以上のビームが互いに完全に重なり合う臨界距離に達するまで重なる。いくつかの例において、臨界距離は三次元ＬＩＤＡＲ装置から１００〜２００ｍ離れた範囲内の距離である。これらの距離においては、１つ以上のビームが人の目と偶発的に作用する可能性がある。しかしながら、ビームの広がりにより、これらの距離において、組み合わされたビーム強度は目を損傷する限度より低くなる。
【００３０】
図３は、１つの例示的動作シナリオにおける三次元ＬＩＤＡＲシステム１０の他の実施形態を示す図である。三次元ＬＩＤＡＲシステム１０は、下部ハウジング１１及び赤外光（例えば、７００〜１７００ｎｍのスペクトル領域内の波長を有する光）を透過させる材料から成る円筒形シェル要素１３（例えば、外側レンズ）を含む上部ハウジング１２を有する。１つの実施例において、円筒形シェル要素１３は、９０５ｎｍを中心とする波長を有する光を透過させる。
【００３１】
図３に図示されているように、三次元ＬＩＤＡＲシステム１０は、中心軸１４に対して９０度の角度で傾いている発光・集光エンジン１１２を有する。１つの側面において、三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から、三次元ＬＩＤＡＲ装置の空間的に区別された異なる位置から、２つの光ビームが出射される。図３に図示されているように、主光線１６を特徴とする光ビームが、照明光学系１９Ａの表面において発光・集光エンジン１１２から出射され、そして、主光線１７を特徴とする光ビームが、照明光学系１９Ｂの表面において発光・集光エンジン１１２から同時に出射される。照明光学系１９Ａ及び１９Ｂの表面は空間的に異なる。また、主光線１６を特徴とする光ビームが、外側レンズ１３上の位置１８Ａにおいて三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から出射され、そして、主光線１７を特徴とする光ビームが、外側レンズ１３上の位置１８Ｂにおいて三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から同時に出射される。位置１８Ａ及び１８Ｂは空間的に異なる。
【００３２】
さらに、主光線１６を特徴とする光ビーム及び主光線１７を特徴とする光ビームは、ＬＩＤＡＲ装置から距離ＲＳにおいて重なり始め、そして、臨界距離ＲＣ（例えば、三次元ＬＩＤＡＲ装置１０から１００〜２００ｍの距離）において最大限に重なり合うように、方向付けられている。図３に図示されている実施形態においては、１つの照射光ビームの主光線１６及びもう１つの照射光ビームの主光線１７が図示されている。各光ビームは、異なる軌跡に沿って周囲環境内に外向きに投射される。２つの軌跡は遠視野の位置１５において交差する。位置１５は、三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から臨界距離ＲＣに位置している。
【００３３】
三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から出射される各光ビームは、図３に図示されているように、少しずつ広がる。１つの実施例において、三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から出射される各光ビームは、三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から１００ｍの距離において直径２０ｃｍのスポットサイズを照射する。この方法において、各照射光ビームは、三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から出射された照射光錐である。各光ビームの軌跡の三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から位置１５までの部分において、各光ビームは交差しない。距離ＲＳにおいて各光ビームは重なり始める。いくつかの例において、各光ビームが重なり始める距離ＲＳは、５ｍ以上の距離である。したがって、５ｍ未満の距離においては、各光ビームは全く重ならない。距離ＲＳを超えて距離が増加するにつれて、重なりの割合が増加し続け、臨界距離ＲＣにおいて最大限の重なりに達する。理想的には、臨界距離における重なりの割合は１００％である。しかしながら、実際には、重なり合う照射は三次元ＬＩＤＡＲ装置１０により強い戻り信号を供給するので、任意の相当量の重なりでも有益である。
【００３４】
図３に図示されているように、三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から２つの光ビームが、三次元ＬＩＤＡＲ装置の異なる位置から、そして、２つの異なるレンズ素子から出射される。さらに、２つの光ビームは、ＬＩＤＡＲ装置から臨界距離（例えば、三次元ＬＩＤＡＲ装置１０から１００〜２００ｍの距離）において重なり合うように、方向付けられる。図３に図示されているように、出射レンズ１９Ａ及び１９Ｂは、２つの異なるレンズ素子であり、それぞれが独自の光学軸を有するものである。いくつかの他の例において、レンズ素子１９Ａ及び１９Ｂは、それぞれが独自の光学軸を有する２つの異なるレンズ素子を含む単一の光学要素として構成することができる。
【００３５】
図３に図示されている実施形態において、三次元ＬＩＤＡＲシステム１０は、中心軸１４の周りの複数の光ビーム１６及び１７のそれぞれを走査するように構成されている。複数の光ビームは中心軸１４の周りを回転するので、周囲環境内に投射された各光ビーム（例えば、各ビームに関連した各照射光錐）は、中心軸１４の周りを通過するので、円錐形照射ビームに対応する体積の環境を照射する。一般的に、遠視野において、又は、遠視野の異なる位置において、重なり合う照射を供給するために、三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から任意の数のビームを出射することができる。
【００３６】
いくつかの実施形態において、遠視野において他のビームと重なり合うように構成された各ビームは、分離した照射源（例えば、レーザーダイオード、ＬＥＤ等）により発生される。いくつかの他の実施形態において、特定の照射源により発生された照射光は細分化されてコリメートされ、遠視野において重なり合うようにそれぞれが配向された２つ以上の異なるビームを発生する。
【００３７】
図４は、発光・集光エンジン１１２を示すもう１つの図である。図示されている実施形態において、発光・集光エンジン１１２は、発光・集光エンジン１１２の様々な構成要素と回転電子基板１１１の間の電気的接続性及び機械的支持を提供する中間電子基板１２１、１２２及び１２３を有する。例えば、光検出素子アレイ１１３の各光検出素子は中間電子基板１２１に取り付けられる。次に、中間電子基板１２１は回転電子基板１１１に機械的及び電気的に結合される。同様に、発光素子アレイ１１４の各発光素子は中間電子基板１２３に取り付けられる。次に、中間電子基板１２３は回転電子基板１１１に機械的及び電気的に結合される。もう１つの実施例において、照明光学系１１５及び集光光学系１１６は、中間電子基板１２２に機械的に取り付けられる。この実施例において、中間電子基板１２２は、照明光学系１１５を集光光学系１１６から空間的及び光学的に分離し、集光された光への照射光の混入を防止する。次に、中間電子基板１２２は、回転電子基板１１１に機械的及び電気的に結合される。この方法により、中間電子基板は、機械的及び電気的接続性を提供し、三次元ＬＩＤＡＲシステム１００の動作に必要な電気部品を取り付け可能な追加基板領域を提供する。
【００３８】
図５は、集光光学系１１６の詳細図である。図５に図示されているように、集光光学系１１６は、光検出素子アレイ１１３の各光検出素子上に集光された光１１８を集束するように配置された４つのレンズ素子１１６Ａ〜１１６Ｄを有する。集光光学系１１６を通過した光は、ミラー１２４により反射され、光検出素子アレイ１１３の各光検出素子上に配向される。もう１つの側面において、集光光学系１１６の１つ以上の光学素子は、発光素子アレイ１１４の各発光素子により出射された光の波長を含む所定の波長範囲外の光を吸収する１つ以上の材料から構成される。１つの実施例において、１つ以上のレンズ素子は、発光素子アレイ１１４の各発光素子により発生された赤外光より低い波長を有する光を吸収する着色剤添加剤を含むプラスチック材料から構成される。１つの実施例において、着色剤は、Ａａｋｏ  ＢＶ（オランダ）から入手可能なＥｐｏｌｉｇｈｔ  ７２７６Ａである。一般的に、望まないスペクトルの光を除去するために、集光光学系１１６の任意のプラスチックレンズ素子に任意の数の異なる着色剤を添加することができる。
【００３９】
図６は、集光された光１１８の各ビームの形状を示す集光光学系１１６の断面図である。
【００４０】
上述のように、集光光学系１１６の１つ以上の光学素子は、発光素子アレイ１１４の各発光素子により出射された光の波長を含む所定の波長範囲外の光を吸収する１つ以上の材料から構成される。しかしながら、一般的に、照明光学系１１５の１つ以上の光学素子も、発光素子アレイ１１４の各発光素子により出射された光の波長を含む所定の波長範囲外の光を吸収する１つ以上の材料から構成されることができる。
【００４１】
図１に図示されている三次元ＬＩＤＡＲシステム１００、及び図３に図示されている三次元ＬＩＤＡＲシステム１０のようなＬＩＤＡＲシステムは、ＬＩＤＡＲ装置から周囲環境内に照射光のパルスビームを出射するパルス照射源を有している。いくつかの実施形態において、パルス照射源はレーザーベースである。いくつかの実施例において、パルス照射源は１つ以上の発光ダイオードベースである。一般的に、任意の適切なパルス照射源を検討することができる。
【００４２】
１つの実施形態において、照射光の２つ以上のパルスビームが、照射光パルスにより三次元環境（例えば、ピクセル）の特定位置を同時に照射する。特定位置から反射された光は、ＬＩＤＡＲシステムからＬＩＤＡＲシステムのプログラムされた範囲に出射され、ＬＩＤＡＲシステムに戻るまでの光の飛行時間以下の存続期間を有する測定窓の間、三次元ＬＩＤＡＲシステムの感光検出器により検出される。感光検出器は、２つ以上の照射ビームにより同時に照射された三次元周囲環境内の特定位置から反射された光パルス、又は戻りパルスを検出する。この方法により、多重照射ビームの各ビームの特定測定位置からの反射が三次元ＬＩＤＡＲシステムにより捕捉される。
【００４３】
更なる側面において、三次元ＬＩＤＡＲシステムは、ＬＩＤＡＲ装置から照射光ビームにより照射された三次元環境内の特定位置そして特定位置からＬＩＤＡＲ装置へ戻るまでの照射光ビームの飛行時間を測定する。飛行時間は、測定窓の間に検出された反射光に基づいて測定される。ＬＩＤＡＲ装置と照射光ビームにより照射された三次元環境内の特定位置の間の距離は、飛行時間に基づいて測定される。
【００４４】
図７は、１つの実施形態におけるパルス照射システム１３０、光検出システム１５０、及び制御装置１４０を含む三次元ＬＩＤＡＲシステムの構成要素を示す図である。
【００４５】
パルス照射システム１３０は、パルス発光装置１３６及び１３７を有する。パルス発光装置１３６及び１３７はそれぞれ、パルス電流信号１３４及び１３３に応答してパルス発光を同時に発生する。パルス発光装置１３６及び１３７により発生された光は、三次元ＬＩＤＡＲシステムの１つ以上の光学素子により、集束されて周辺環境内の特定位置１３８上に投射される。パルス発光装置１３６及び１３７により発生された光は、特定位置１３８において重なるように配向されている。１つの実施例において、パルス発光装置１３６及び１３７により出射された光は、出射光を図３に図示される三次元ＬＩＤＡＲシステム１０から出射されるパルス光ビーム１６及び１７にコリメートする照明光学系１１５により、集束されて特定位置上に投射される。
【００４６】
パルス照射システム１３０は、パルス発光装置１３６及び１３７にそれぞれ電流パルスを供給する駆動装置１３１及び１３２を有する。駆動装置１３１及び１３２により発生された電流パルスは、制御信号ＭＰＣにより制御される。この方法により、パルス発光装置１３６及び１３７により発生されるパルスの形状及びタイミングは、制御装置１４０により制御される。
【００４７】
更なる実施形態において、図１に図示されている三次元ＬＩＤＡＲシステム１００のようなＬＩＤＡＲシステムは、共通の制御装置（例えば、制御装置１４０）と一体となって作動する１６個の多重パルスビーム照射システムを有する。図８は、１６個の多重ビーム照射システムの各々の発光のタイミングを示す図１８０である。
【００４８】
図８に図示されているように、第１の多重ビーム照射システムから測定パルスが出射される。遅延時間Ｔ遅延経過後に、ＬＩＤＡＲ装置の第２の多重ビーム照射システムから測定パルスが出射される。この方法により、測定期間Ｔ測定の間に、ＬＩＤＡＲ装置から異なる方向に一連の１６個の測定パルスが出射される。１６個の多重ビーム照射システムの各々の駆動装置は、測定期間後に充電期間Ｔ充電の間充電される。充電期間後に、その次の測定期間にわたって、もう１つの測定パルスが各多重ビーム照射システムから出射される。
【００４９】
いくつかの実施形態において、遅延時間は、ＬＩＤＡＲ装置の最大範囲に位置する物体へ向かい、該物体から戻ってくるまでの測定パルスの飛行時間よりも長く設定されている。この方法により、１６個の多重ビーム照射システムのいずれの間にもクロストークが生じない。
【００５０】
いくつかの他の実施形態において、１つの多重ビーム照射システムから出射された測定パルスがＬＩＤＡＲ装置に戻るまでの時間が経過する前に、もう１つの多重ビーム照射システムから測定パルスを出射することができる。これらの実施形態のいくつかにおいて、クロストークを避けるために、各ビームにより問合せされた周囲環境の領域の間が十分に空間的に分離されることを確実にするように注意が払われている。
【００５１】
図７に図示されているように、多重ビームにより同時に照射されて特定位置１３８から反射された光は、光検出器１５５により検出される。光検出器１５５は、アナログ相互インピーダンス増幅器１５２により増幅される出力信号１５１を発生する。一般的に、出力信号１５１の増幅は、複数の増幅段階を有することができる。この場合、アナログ相互インピーダンス増幅器１５２は非限定的な実施例として提供されており、多くの他のアナログ信号増幅構成が本出願書類の範囲内に含まれると考えることができる。
【００５２】
増幅信号１５３は、制御装置１４０に通信される。制御装置１４０のアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）１４４が、アナログ信号１５３を更なる処理において使用されるデジタル信号に変換するために使用される。制御装置１４０は、制御信号ＭＰＣと共同してＡＤＣ１４４によるデータ取得のタイミングを制御するために使用されるイネーブル／ディスエーブル信号１４５を発生する。
【００５３】
図９は、測定パルスの出射及び戻り測定パルスの捕捉に関わるタイミングを示す図である。図９に図示されているように、測定は、制御装置１４０により発生されたパルス発射信号１６１（例えば、ＭＰＣ[１]及びＭＰＣ[２]）とともに始まる。内部システムの遅延により、パルス発射信号１６１から時間遅延ＴＤによりずれているパルスインデックス信号１６２が測定される。時間遅延は、ＬＩＤＡＲシステムからの発光に関する既知の遅延（例えば、信号通信遅延並びに駆動装置及びパルス発光装置に関する待機時間）と、集光と集光された光を示している信号発生に関する既知の遅延（例えば、増幅器の待機時間、アナログ／デジタル変換遅延等）と、を含んでいる。
【００５４】
図９に図示されているように、戻り信号１６３は、両方の発光装置１３６及び１３７による特定位置の照射に対応してＬＩＤＡＲシステムにより検出される。測定窓（例えば、収集された戻り信号データが特定測定パルスに関連付けられている期間）は、光検出素子１５０からのイネーブルデータ取得により開始される。制御装置１４０は、測定パルスの出射に対応する戻り信号が予期される時間の窓に対応するように測定窓のタイミングを制御する。いくつかの実施例において、測定窓は、測定パルスが出射された時点で作動され、ＬＩＤＡＲシステムの範囲の２倍の距離にわたる光の飛行時間に対応する時点において停止される。この方法により、測定窓は、ＬＩＤＡＲシステムに近接する物体からの戻り光（わずかな飛行時間）からＬＩＤＡＲシステムの最大範囲に位置する物体からの戻り光までを集光するために開かれている。この方法により、有効な戻り信号として貢献することができない他の全ての光は除外される。
【００５５】
図９に図示されているように、戻り信号１６３は、多重ビームの光路内の異なる物体に対応する２つの戻り測定パルスを有する。一般的に、信号検出は、全ての検出された測定パルスに実施される。さらに、信号分析が、最も近い信号（例えば、戻り測定パルスの最初のインスタンス）、最も強い信号及び最も遠い信号（例えば、測定窓における戻り測定パルスの最後のインスタンス）を特定するために実施される。これらのインスタンスはどれも、ＬＩＤＡＲシステムによる潜在的に有効な距離測定として報告することができる。例えば、図９に図示されているように、飛行時間ＴＯＦ１は、出射された測定パルスに対応する最も近い（例えば、最も早い）戻り測定パルスから計算することができる。
【００５６】
図７を参照して記載されている実施形態において、遠視野において重なり合うように配向された２つの異なるビームを同時に発生するために、２つの異なる発光装置（例えば、発光装置１３６及び１３７）が使用される。しかしながら、一般的に、単一の発光装置をビーム分割光学素子とともに使用し、単一の発光装置から出射された光ビームを２つ以上の光ビームに細分化し、２つ以上の光ビームを追加の光学素子により遠視野において重なり合うように配向することもできる。これらの実施形態においては、遠視野において同時に重なり合う照射を達成するために多重発射信号（例えば、ＭＰＣ[１]及びＭＰＣ[２]）のタイミングを調整する必要なく、単一の発光装置が単一の発射信号で遠視野において重なり合う多重ビームを同時に発生する。
【００５７】
図１０は、少なくとも１つの新しい側面における遠視野において重なり合う多重照射ビームによるＬＩＤＡＲ測定を実施する方法２００を示す図である。方法２００は、ここに記載の実施形態のいずれかにより実施するのに適している。１つの側面において、方法２００のデータ処理ブロックは、制御装置１４０の１つ以上のプロセッサにより、又は他の汎用計算システムにより、実行される事前にプログラムされたアルゴリズムによって実行することができる。ここで、記載されている実施形態の特定構成は限定を示しているものではなく、単なる実例として解釈されるべきである。
【００５８】
ブロック２０１において、２つ以上の光ビームが、ＬＩＤＡＲ装置から三次元環境内に複数の異なる方向に出射される。２つ以上の光ビームのそれぞれにより照射される三次元環境の複数の部分が、ＬＩＤＡＲ装置から少なくとも５ｍの距離において実質的に重なり合う。２つ以上の光ビームのいずれも、ＬＩＤＡＲ装置から５ｍ未満の距離において、他の２つ以上の光ビームのいずれとも重ならない。
【００５９】
ブロック２０２において、２つ以上の光ビームにより同時に照射された三次元環境内の特定位置から反射された光の量が検出される。
【００６０】
ブロック２０３において、ＬＩＤＡＲ装置から出射され、ＬＩＤＡＲ装置の１つ以上の感光検出器により検出された２つ以上の光ビームの飛行時間が測定される。
【００６１】
１つ以上の例示的な実施形態において、記載されている機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、又はそれらの組み合わせにおいて実施することができる。ソフトウェアにおいて実施される場合、機能は、コンピュータ可読媒体上の１つ以上の指令又はコードとして伝達又は記憶されることができる。コンピュータ可読媒体は、コンピュータ記憶媒体及び通信媒体を含み、１つの場所から他の場所へのコンピュータプログラムの転送を容易にするどの媒体も含むことができる。記憶媒体は、汎用コンピュータ又は専用コンピュータによりアクセスすることができる任意の利用可能な媒体を使用することができる。限定としてではなく、例として、コンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ又は他の光ディスク記憶装置、磁気ディスク記憶装置又は他の磁気記憶装置、又は、汎用コンピュータ又は専用コンピュータにより、又は汎用プロセッサ又は専用プロセッサによりアクセスすることができ、データ構造又は指令の形の所望のプログラムコードを記憶又は保持するために使用することができる他の任意の媒体を含むことができる。また、任意の接続もコンピュータ可読媒体と呼ぶのにふさわしい。例えば、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペアケーブル、デジタル加入者回線（ＤＳＬ）、又は赤外線通信、無線通信、及びマイクロ波通信等の無線技術を使用して、ウェブサイト、サーバー、又は他の遠隔供給源からソフトウェアが伝送された場合、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペアケーブル、デジタル加入者回線（ＤＳＬ）、又は赤外線通信、無線通信、及びマイクロ波通信等の無線技術は、媒体の定義内に含まれる。ここで使用されるディスクは、コンパクトディスク（ＣＤ）、レーザーディスク、光ディスク、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、フロッピーディスク及びブルーレイディスクを含み、ディスクは通常データを磁気的に再生し、また、ディスクはデータをレーザーにより光学的に再生する。上記の組み合わせもコンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるものである。
【００６２】
説明の目的で特定実施形態が上述されているが、この特許出願書類の教示は汎用性を有し、上記の特定実施形態に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲に記載の本発明の範囲から逸脱することなく、様々な改良、適応、及び上記実施形態の様々な構成の組み合わせを実行することができる。
【符号の説明】
【００６３】
１０  三次元ＬＩＤＡＲシステム
１１  下部ハウジング
１２  上部ハウジング
１３  円筒形シェル要素、外側レンズ
１４  中心軸
１５  遠視野の位置
１６  主光線
１７  主光線
１８Ａ  １３上の位置
１８Ｂ  １３上の位置
１９Ａ  照明光学系、レンズ素子
１９Ｂ  照明光学系、レンズ素子
１００  三次元ＬＩＤＡＲシステム
１０１  下部ハウジング
１０２  上部ハウジング
１０３  ドーム状シェル要素
１０４  中心軸
１０５  複数の光ビーム
１０６  ビーム
１０７  ＸＹ平面上の位置
１０８  円形軌跡
１１０  固定電子基板
１１１  回転電子基板
１１２  発光・集光エンジン
１１３  光検出素子アレイ
１１４  発光素子アレイ
１１５  照明光学系
１１６  集光光学系
１１６Ａ  レンズ素子
１１６Ｂ  レンズ素子
１１６Ｃ  レンズ素子
１１６Ｄ  レンズ素子
１１７  １１２の中心光軸
１１８  集光された光
１２１  中間電子基板
１２２  中間電子基板
１２３  中間電子基板
１２４  ミラー
１３０  パルス照射システム
１３１  駆動装置
１３２  駆動装置
１３３  電流信号
１３４  電流信号
１３６  パルス発光装置
１３７  パルス発光装置
１３８  特定位置
１４０  制御装置
１４４  アナログ／デジタル変換器
１４５  イネーブル／ディスエーブル信号
１５０  光検出システム
１５１  出力信号
１５２  アナログ相互インピーダンス増幅器
１５３  増幅信号、アナログ信号
１５５  光検出器
１６１  パルス発射信号
１６２  パルスインデックス信号
１６３  戻り信号
【図１】
2019509474.tif 000003
【図２】
2019509474.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2019509474.tif 000009
【図８】
2019509474.tif 000010
【図９】
2019509474.tif 000011
【図１０】
2019509474.tif 000012
【国際調査報告】
2019509474.tif 000013
2019509474.tif 000014
2019509474.tif 000015